Хорошев А.Н. - Основы системного проектирования технических объектов (1037544), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

Однако наличие прототипа и затрудняет работу. Он создает психологическую инерцию, предопределяет ход поиска решений. При этом не всегда обращают внимание на те условия и показатели качества, под которые создавалось изделие-прототип. А ведь незначительные на первый взгляд отличия в перечне требований ТЗ могут привести к созданию неэффективного, хотя и работоспособного изделия (например, решения для серийного и единичного условий производства сильно отличаются).

В процессе анализа прототипа, прежде всего, изучают его функциональную структуру (характер, вид и число элементарных действий и связей между ними), способ разрешения имеющихся противоречий, тенденции развития данных объектов техники.

Поиск аналогов и прототипов ведется на основе изучения научно-технической литературы (книги, журналы, отчеты, диссертации, каталоги и т.п.) и патентной документации (авторские свидетельства, патенты, заявки). Ведение патентных исследований регламентируется ГОСТ 15.011.

Патентные исследования позволяют определить патентную чистоту и патентоспособность создаваемого объекта на уровне способа. Патентная чистота указывает на оригинальность предлагаемого решения или отсутствие на него права собственности. Патентоспособность указывает на то, что предлагаемое решение соответствует изобретательскому уровню, и его функциональная структура отлична от функциональных структур известных объектов (т.е. предлагается новый способ функционирования, принцип действия).

Поиск патентно-чистой функциональной структуры обязателен:

• если необходимо закрепиться на рынке и недопустимо копирование разрабатываемого изделия конкурентами. С этой целью на решение следует получить патент;

• чтобы не выпускать продукцию, в основе которой лежат защищенные патентами чужие решения.

Разрабатываемая структура может оказаться достаточно сложной из-за обилия связей и блоков (например, как на рис.16г). Для удобства ее можно представить в виде отдельных простых структур (рис.16д), но важно не потерять взаимосвязи.

5.2.2. Подбор и состыковка физических эффектов

5.2.2.1. Понятие физического эффекта

Удовлетворение потребности возможно либо созданием материальных объектов, либо воздействием на потребителя. В последнем случае — это убеждение человека в ненужности его потребности (антиреклама, соответствующее воспитание, общественноиндивидуальное воздействие и т.п.) или создание иллюзии ее удовлетворения (гипноз, наркологическое, лекарственное или хирургическое воздействие и т.п.). Не будем останавливаться на них, как не относящихся к сфере инженерной деятельности.

Удовлетворение потребности материальным способом базируется на том, что в основе функционирования любого устройства лежит физическая реальность — взаимодействие материальных объектов, подчиняющихся физическим законам. Функционирование большинства изделий основывается на использовании нескольких физических законов.

Взаимодействие, описываемое каким-то одним физическим законом, составляет элементарное физическое явления или физический эффект (ФЭ). Физический эффект устанавливает причинно-следственную связь и энергетические потоки между взаимодействующими объектами. В простейшем случае он может быть представлен блок-схемой (рис.17а). Здесь Э₁ — энергия, подводимая к некоторому объекту Н₁, а Э₂ — энергетический результат этого воздействия и Н₂ — носитель этой энергии. Например, тепловая энергия Э₁, подведенная к твердому телу Н₁, вызывает электромагнитное излучение Э₂, носителем которого является поле Н₂ (свет). Такая схема отражает закон преобразования и сохранения энергии.

Рис. 17. Блок-схемы принципа действия

Блок-схема физического эффекта близка к функциональной схеме: каждой функции соответствует свой вид энергетического состояния, а носителям энергии — техническая система и взаимодействующие с нею объекты. Так, у выше приведенного примера будет следующая функциональная схема (рис.17б): нагревать (Ф_и) объект (ТС), чтобы он испускал (Ф) свет (ОВ). Блоки (ИД, ОВ) функциональной схемы конкретизируют условия применения будущего изделия — чем нагревать и как освещать.

Часто функциональную и физическую схемы принципа действия совмещают, т.е. работают с функционально-физической схемой. В этом случае, обычно, над стрелками указывают вид передаваемой энергии, а внизу — выполняемую функцию.

Физические эффекты, составляющие принцип действия, должны быть сопряженными, т.е. выходной поток одного эффекта соответствовать входному потоку другого, последующего. Сопряженные физические эффекты могут образовывать как последовательные, так и ветвящиеся маршрутные цепочки принципа действия. На рис.17б показана блок-схема принципа действия электрической лампы накаливания, включающая два сопряженных физических эффекта ФЭ₁->ФЭ₂, где ФЭ₁ — нагрев проводника током, ФЭ₂ — тепловое излучение твердого тела.

Большинство физических эффектов — сложные, т.е. зависят от ряда условий (имеют несколько входных и выходных потоков). Например, в случае нагрева твердого тела (Н₂) трением необходимо обеспечить не только его движение (Э₁₁) относительно другого тела (Н₁), но и взаимно прижать (Э₁₂) их.

В настоящее время известно большое число физических эффектов (порядка 5 000), хотя выпускник технического вуза обычно знаком с 200...500 эффектами. В помощь инженерам существуют базы данных и справочники физических эффектов, содержащие также описания соответствующих им математических моделей, условия и примеры применения. Имеются компьютерные программы построения физических цепочек. В справочнике приведен материал по основным видам энергии и ее носителей, ряд физических явлений, связывающих основные механические характеристики.

Наряду с физическими эффектами в процессе проектирования и производства учитывают и следующие:

• химические эффекты, характеризующие, например, способы повышения коррозионной стойкости металлов, склеивания деталей и т.п.;

• биологические эффекты, характеризующие взаимодействие живой и неживой природы, например, радиационный и тепловой ожоги, ослепление вспышкой и т.п.;

• психологические, физиологические и социальные эффекты, связанные с закономерностями восприятия технических объектов людьми, их освоением, управлением работой и т.п.

Часто оперируют не столько физическими эффектами, а принципами действия элементарных устройств, которые могут включать целый ряд физических эффектов. В механике — это следующие элементарные принципы действия:

• рычаг, предназначенный для изменения величины передаваемого усилия и перемещения;

• клин плоский, предназначенный для изменения направления и величины передаваемого усилия и перемещения;

• клин винтовой (винт), предназначенный для преобразования поступательного движения во вращательное и наоборот, для изменения величины передаваемых нагрузок и перемещений;

• ворот, предназначенный для преобразования видов движений;

• пружина, предназначенная для получения больших упругих обратимых смещений.

Функции, выполняемые механическими устройствами, подразделяются на две группы:

• создание механического усилия (силового взаимодействия). Например, удержание одного тела в определенном положении относительно другого. При этом взаимодействие и передача нагрузок между телами осуществляются посредством геометрического (контактного) или силового (фрикционного) замыкания;

• приведение в движение. Такая задача формулируется как энергетическая, т.е. связанная с преобразованием некого вида энергии в механическую. Например, переместить твердое тело относительно опорной поверхности. Здесь возможными будут эффекты, имеющие на выходе кинетическую энергию (перемещение тела как целого) или энергию деформации (взаимное смещение частей тела).

5.2.2.2. Составление функционально-физической схемы

Имея функциональную схему, переходят к составлению функционально-физической схемы или, при необходимости детального физического анализа, — к физической.

Отыскание для каждого элементарного действия соответствующего физического эффекта и их состыковка — непростая задача. На этапе синтеза принципа действия еще точно неизвестно, что является носителем потребной функции, какой энергией обладает, насколько эффективно будет решение.

В ТЗ обычно присутствуют указания на вид объекта воздействия (Н₂, рис.17б) и выполняемую функцию (Ф). Из анализа физической сущности этой функции можно установить энергетическое состояние (Э₂) объекта воздействия. Например, из задания «устройство для перемещения груза» следует, что объект воздействия — условно твердые тела (кирпичи, бочки с водой, мешки с песком и т.п.), которым нужно сообщить кинетическую энергию.

Сведения по виду проектируемого объекта (Н₁) и его энергетическому состоянию могут либо отсутствовать (следовательно, могут быть любыми), либо определяться функцией источника действия (Ф_и), либо выбираться с учетом дополнительных требований ТЗ.

Наиболее часто поиск физической схемы ведется эвристическими методами.

В автоматизированных системах широко используется метод синтеза, который основан на поиске в базе данных пар сопряженных физических эффектов и построения из них цепочек так, чтобы удовлетворить заданному выходному и возможному входному воздействиям. Такой метод подобен решению задачи с краевыми граничными условиями.

5.2.2.3. Анализ и развитие схемы

Анализ требований ТЗ с целью выявления явных или скрытых физических условий и ограничений уменьшает вариантность, но делает задачу целенаправленной. Основными такими требованиями являются:

• доступность источника энергии. Исследуется место эксплуатации разрабатываемого объекта и выясняется, какие источники энергии там имеются или какую энергию можно подвести;

• мощность источника энергии. Она должна обеспечить функционирование объекта. Мощность оценивают из закона сохранения энергии, т.е. подводимая энергия должна быть не меньше необходимой для работы объекта. И «производительность» каждого физического эффекта в цепочке должна соответствовать этой мощности. Аналогично проверяют на способность развивать требуемое усилие;

• промышленная реализация: возможность получения необходимого количества требуемых материалов и последующей их обработки;

• стоимость используемой энергии, безопасность, экологичность и другие показатели качества.

Оценка принципа действия по количеству используемых эффектов не всегда верна. Так, работа лампы накаливания основана на двух физических эффектах, а лампы дневного света — порядка 5, хотя последняя применяется все чаще. Однако замечено, что удачные принципы действия отличает следующее:

• совмещение носителей энергии, т.е. использование одного и того же объекта в нескольких физических эффектах (например, в лампе нить накаливания — проводник и источник света);

• минимальное число преобразований одних видов энергии в другие, т.е. выполнение объекта однородными;

• совмещение функций в физическом эффекте (например, лампа-обогреватель — нить светит и греет).

При разработке объекта сначала подбирают принцип действия для главной функции, потом — для выявленных вспомогательных (тех, которые создают условия выполнения главной функции) и т.д. Далее, предложенные отдельные принципы действия состыковывают и совершенствуют (например, за счет совмещения функций и носителей).

Создание оригинальной как функциональной, так и физической схемы служит признаком патентоспособности разрабатываемого объекта.

В процессе проектирования не всегда проходят этап синтеза принципа действия (особенно при проектировании по аналогии или при улучшении прежнего объекта, в рамках заданного принципа). Однако анализ принципа позволяет установить резервы развития использующей его объекта и пути его совершенствования, проверить корректность модели функционирования. Физическая постановка проектной задачи также позволяет получить дополнительные сведения:

• знание физического закона конкретизирует условия реализации — уточняется вид и характер связей, сопутствующие явления, возможные последствия. Например, при нагреве твердого тела происходит не только тепловое излучение, но и изменение его размеров и сопротивления, а при перегреве — оно может и расплавиться;

• математическая формулировка физического закона очерчивает круг основных параметров, характеризующих процесс функционирования, их взаимосвязь и степень влияния на конечный результат;

• физический принцип и его математическая формулировка составляют основу построения модели функционирования проектируемого объекта.

Выявление принципа действия и поиск возможных его вариантов — первое, с чего начинается конструирование, даже если берутся готовые изделия: анализ их особенностей позволит выбрать лучший вариант или подтвердить традиционный выбор.

Характеристики

Список файлов книги